La fotogrametría es la ciencia y la tecnología de obtener información confiable sobre objetos físicos y el medio ambiente a través del proceso de registro, medición e interpretación de imágenes fotográficas y patrones de imágenes radiantes electromagnéticas y otros fenómenos. [1]
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Aunque la invención del método se atribuye a Aimé Laussedat , [2] el término "fotogrametría" fue acuñado por el arquitecto alemán Albrecht Meydenbauer, [3] que apareció en su artículo de 1867 "Die Photometrographie". [4]
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Existen muchas variantes de la fotogrametría. Un ejemplo es la extracción de mediciones tridimensionales a partir de datos bidimensionales (es decir, imágenes); por ejemplo, la distancia entre dos puntos que se encuentran en un plano paralelo al plano de la imagen fotográfica se puede determinar midiendo su distancia en la imagen, si se conoce la escala de la imagen. Otra es la extracción de rangos de color precisos y valores que representan cantidades tales como albedo , reflexión especular , metalicidad u oclusión ambiental a partir de fotografías de materiales con fines de representación basada en la física .
La fotogrametría de corto alcance se refiere a la recopilación de fotografías desde una distancia menor que la fotogrametría aérea (u orbital) tradicional. El análisis fotogramétrico se puede aplicar a una fotografía o se puede utilizar la fotografía de alta velocidad y la teledetección para detectar, medir y registrar campos de movimiento 2D y 3D complejos mediante la introducción de mediciones y análisis de imágenes en modelos computacionales en un intento de estimar sucesivamente, con una precisión cada vez mayor, los movimientos relativos reales en 3D.
Desde sus inicios con los estereoplotters utilizados para trazar líneas de contorno en mapas topográficos , ahora tiene una amplia gama de usos, como el sonar , el radar y el lidar .
La fotogrametría utiliza métodos de muchas disciplinas, incluidas la óptica y la geometría proyectiva . La captura de imágenes digitales y el procesamiento fotogramétrico incluyen varias etapas bien definidas, que permiten la generación de modelos digitales 2D o 3D del objeto como producto final. [6] El modelo de datos de la derecha muestra qué tipo de información puede entrar y salir de los métodos fotogramétricos.
Las coordenadas 3D definen la posición de los puntos del objeto en el espacio 3D . Las coordenadas de la imagen definen la posición de las imágenes de los puntos del objeto en la película o en un dispositivo electrónico de captura de imágenes. La orientación exterior [7] de una cámara define su posición en el espacio y su dirección de visión. La orientación interior define los parámetros geométricos del proceso de captura de imágenes. Se trata principalmente de la distancia focal de la lente, pero también puede incluir la descripción de las distorsiones de la lente. Otras observaciones adicionales desempeñan un papel importante: con barras de escala , básicamente una distancia conocida de dos puntos en el espacio, o puntos fijos conocidos , se crea la conexión con las unidades de medición básicas.
Cada una de las cuatro variables principales puede ser una entrada o una salida de un método fotogramétrico.
Los algoritmos de fotogrametría suelen intentar minimizar la suma de los cuadrados de los errores en las coordenadas y los desplazamientos relativos de los puntos de referencia. Esta minimización se conoce como ajuste de haz y suele realizarse mediante el algoritmo de Levenberg-Marquardt .
Un caso especial, llamado estereofotogrametría , implica estimar las coordenadas tridimensionales de puntos en un objeto empleando mediciones realizadas en dos o más imágenes fotográficas tomadas desde diferentes posiciones (ver estereoscopía ). Los puntos comunes se identifican en cada imagen. Se puede construir una línea de visión (o rayo) desde la ubicación de la cámara hasta el punto en el objeto. Es la intersección de estos rayos ( triangulación ) lo que determina la ubicación tridimensional del punto. Los algoritmos más sofisticados pueden explotar otra información sobre la escena que se conoce a priori , por ejemplo simetrías , permitiendo en algunos casos reconstrucciones de coordenadas 3D desde una sola posición de la cámara. La estereofotogrametría está surgiendo como una técnica de medición robusta sin contacto para determinar las características dinámicas y las formas modales de estructuras no giratorias [8] [9] y giratorias. [10] [11] La recopilación de imágenes con el propósito de crear modelos fotogramétricos puede llamarse más apropiadamente poliscopia, en honor a Pierre Seguin [12].
Los datos fotogramétricos se pueden complementar con datos de alcance de otras técnicas. La fotogrametría es más precisa en la dirección x e y, mientras que los datos de alcance son generalmente más precisos en la dirección z [ cita requerida ] . Estos datos de alcance pueden ser suministrados por técnicas como LiDAR , escáneres láser (usando tiempo de vuelo, triangulación o interferometría), digitalizadores de luz blanca y cualquier otra técnica que escanee un área y devuelva coordenadas x, y, z para múltiples puntos discretos (comúnmente llamados " nubes de puntos "). Las fotos pueden definir claramente los bordes de los edificios cuando la huella de la nube de puntos no puede. Es beneficioso incorporar las ventajas de ambos sistemas e integrarlos para crear un mejor producto.
Se puede crear una visualización 3D georreferenciando las fotos aéreas [13] [14] y los datos LiDAR en el mismo marco de referencia, ortorrectificando las fotos aéreas y luego colocando las imágenes ortorrectificadas sobre la cuadrícula LiDAR. También es posible crear modelos digitales del terreno y, por lo tanto, visualizaciones 3D utilizando pares (o múltiplos) de fotografías aéreas o satélites (por ejemplo, imágenes satelitales SPOT ). Luego se utilizan técnicas como la correspondencia estéreo de mínimos cuadrados adaptativos para producir una matriz densa de correspondencias que se transforman a través de un modelo de cámara para producir una matriz densa de datos x, y, z que se pueden usar para producir productos de ortoimágenes y modelos digitales del terreno . Los sistemas que utilizan estas técnicas, por ejemplo, el sistema ITG, se desarrollaron en los años 1980 y 1990, pero desde entonces han sido reemplazados por enfoques basados en LiDAR y radar, aunque estas técnicas aún pueden ser útiles para derivar modelos de elevación a partir de fotografías aéreas antiguas o imágenes satelitales.
La fotogrametría se utiliza en campos como la cartografía topográfica , la arquitectura , la cinematografía , la ingeniería , la fabricación , el control de calidad , la investigación policial , el patrimonio cultural y la geología . Los arqueólogos la utilizan para producir rápidamente planos de sitios grandes o complejos, y los meteorólogos la utilizan para determinar la velocidad del viento de los tornados cuando no se pueden obtener datos meteorológicos objetivos.
También se utiliza para combinar la acción en vivo con imágenes generadas por computadora en la posproducción de películas ; Matrix es un buen ejemplo del uso de la fotogrametría en el cine (se dan detalles en los extras del DVD). La fotogrametría se utilizó ampliamente para crear activos ambientales fotorrealistas para videojuegos, incluidos The Vanishing of Ethan Carter y Star Wars Battlefront de EA DICE . [15] El personaje principal del juego Hellblade: Senua's Sacrifice se derivó de modelos de captura de movimiento fotogramétricos tomados de la actriz Melina Juergens. [16]
La fotogrametría también se emplea habitualmente en la ingeniería de colisiones, especialmente en el caso de automóviles. Cuando se produce un litigio por una colisión y los ingenieros necesitan determinar la deformación exacta presente en el vehículo, es habitual que hayan pasado varios años y la única prueba que queda son las fotografías de la escena del accidente tomadas por la policía. La fotogrametría se utiliza para determinar cuánto se deformó el coche en cuestión, lo que se relaciona con la cantidad de energía necesaria para producir esa deformación. La energía se puede utilizar entonces para determinar información importante sobre el accidente (como la velocidad en el momento del impacto).
El fotomapping es el proceso de hacer un mapa con "mejoras cartográficas" [17] que se han extraído de un fotomosaico [18] que es "una imagen fotográfica compuesta del terreno", o más precisamente, como un fotomosaico controlado donde "las fotografías individuales se rectifican para la inclinación y se llevan a una escala común (al menos en ciertos puntos de control)".
La rectificación de las imágenes se logra generalmente "adaptando las imágenes proyectadas de cada fotografía a un conjunto de cuatro puntos de control cuyas posiciones se han derivado de un mapa existente o de mediciones terrestres. Cuando estas fotografías rectificadas y escaladas se colocan en una cuadrícula de puntos de control, se puede lograr una buena correspondencia entre ellas mediante un hábil recorte y ajuste y el uso de las áreas alrededor del punto principal donde los desplazamientos del relieve (que no se pueden eliminar) son mínimos". [17]
"Es bastante razonable concluir que alguna forma de fotomapa se convertirá en el mapa general estándar del futuro". [19] Continúan sugiriendo [ ¿quién? ] que "el fotomapa parecería ser la única manera de aprovechar razonablemente" las futuras fuentes de datos como los aviones de gran altitud y las imágenes satelitales.
Para demostrar el vínculo entre el mapeo ortofotográfico y la arqueología , [20] se utilizaron fotografías aéreas históricas para ayudar a desarrollar una reconstrucción de la misión Ventura que guió las excavaciones de los muros de la estructura.
La fotografía aérea se ha aplicado ampliamente para mapear restos superficiales y exposiciones de excavaciones en sitios arqueológicos. Las plataformas sugeridas para capturar estas fotografías han incluido: globos de guerra de la Primera Guerra Mundial; [21] globos meteorológicos de goma; [22] cometas ; [22] [23] plataformas de madera, marcos de metal, construidos sobre una exposición de excavación; [22] escaleras tanto solas como unidas con postes o tablones; escaleras de tres patas; postes de una o varias secciones; [24] [25] bípodes; [26] [27] [28] [29] trípodes; [30] tetrápodos, [31] [32] y camiones con canasta aérea ("cherry pickers"). [33]
Se han utilizado fotografías digitales aéreas, tomadas con la mano y tomadas cerca del nadir, con sistemas de información geográfica ( SIG ) para registrar las exposiciones de las excavaciones. [34] [35] [36] [37] [38]
La fotogrametría se utiliza cada vez más en la arqueología marítima debido a la relativa facilidad de mapear sitios en comparación con los métodos tradicionales, lo que permite la creación de mapas 3D que se pueden representar en realidad virtual . [39]
Una aplicación algo similar es el escaneo de objetos para hacer automáticamente modelos 3D de ellos. Dado que la fotogrametría se basa en imágenes, existen limitaciones físicas cuando esas imágenes son de un objeto que tiene superficies oscuras, brillantes o claras. En esos casos, el modelo producido a menudo todavía contiene huecos, por lo que a menudo sigue siendo necesaria una limpieza adicional con software como MeshLab , netfabb o MeshMixer. [40] Alternativamente, pintar con aerosol dichos objetos con acabado mate puede eliminar cualquier cualidad transparente o brillante.
Google Earth utiliza la fotogrametría para crear imágenes en 3D. [41]
También hay un proyecto llamado Rekrei que utiliza la fotogrametría para hacer modelos 3D de artefactos perdidos, robados o rotos que luego se publican en línea.
Las nubes de puntos 3D de alta resolución derivadas de UAV o fotogrametría terrestre se pueden utilizar para extraer de forma automática o semiautomática propiedades de la masa rocosa, como orientaciones de discontinuidad, persistencia y espaciado. [42] [43]
Existen muchos paquetes de software para fotogrametría; ver comparación de software de fotogrametría .
Apple presentó una API de fotogrametría llamada Object Capture para macOS Monterey en la Conferencia Mundial de Desarrolladores de Apple de 2021. [44] Para utilizar la API, se requiere una MacBook con macOS Monterey y un conjunto de imágenes digitales capturadas. [45]
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